DE1902713A1 - Einrichtung zur Neutronenflussregelung eines Kernreaktors - Google Patents

Einrichtung zur Neutronenflussregelung eines Kernreaktors

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French Robert J
Andrews Harry N
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Description

  • Einrichtung zur Neutronenflußregelung eines Kernreaktors Zur Regelung des Neutronenflusses bei Kernreaktoren ist es bekannt, schrì tweise abaenkbare und heterogen über den Kernreaktor verteilte Neutronenabsorber sowie zusätzlich lösliche und homogene Neutronengifte zu verwenden. Die als Regelstäbe ausgebildeten Neutronenabsorber weisen meist die Form von Fingerregelstäben auf, die in bestimmte Brennelemente eingefahren werden und ein relativ hohes Absorbtionsvermögen haben.
  • Sie sind mit einem Antrieb gekoppelt, durch den sie schrittweise in den Reaktorkern abgesenkt oder aus ihm ausgefahren werden können, eo daß sie mehr oder weniger Neutronen absorbieren.
  • Dem Wirkungsgrad eines derartigen Reaktors sind jedoch verschiedene Grenzen gesetzt. So ist z.B. die radiale Flußverteilung nicht überall gleich und die axiale Flußverteilung weist starke Unregelmäßigkeiten auf, da durch das teilweise Einfahren von Regelatäben das Entstehen von Xenon begünstigt wird. Darüber hinaus sind die Hegelstabantriebe für die beschriebenen Hegelstäbe sehr aufwendig.
  • Die gesamte teistungshöhe, die sicher und wirkungsvoll erhalten werden kann, wird durch radiale Flußspitzen beeinflußt. Solche Flußspitzen sind charakteristisch für nichthomogene Reaktorkerne. Dabei ist der Abstand jedes Brennstabes von umgebenden Regelstäben, sog. heiße Kanäle", sowie die Konzentration der lösbaren Neutronengifte für den Neutronenfluß in der Umgebung der Stäbe maßgebend. Da der Abstand sic von Stab zu Stab andert, ändern sich also auch Flußdichte und Leistungsdichte.
  • Axiale Unterachiede in Flußdichte und Leistungsdichte sind bedingt durch das teilweise Einfahren von Regel stäben, wodurch dem Betrieb und dem Leistungsvermögen eines Reaktors Grenzen gesetzt sind. Ein Regelstab absorbiert lediglich in den Gebieten, durch die er hindurchgeführt wird, eine beatimmte Anzahl von Neutronen. Die dabei entstehenden Flußspitzen verstärken den Heißkanalfaktor, wodurch direkt die maximal erreichbare Leistungshöhe begrenzt wird. Da außerdem das Anfallen von Xenon durch Leistungs- oder Plußdichteänderung bedingt sind, kann durch das entstehende Xenon der Reaktor nur schwer geregelt werden. Dieser letzte Faktor bildet auch das wesentliche Hindernis dafür, derartige Regelstäbe zur Lastfolgeregelung zu verwenden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der eine Flußregelung in einem Reaktorkern weniger aufwendig und dennoch wirkungsvoller durchgeführt werden kann.
  • Die Erfindung wird dabei darin gesehen, daß mindestens ein Teil der Brennelemente im Reaktorkern mit Führungsrohren zur Aufnahme von Regelstäben versehen ist und daß die Regelstäbe einzeln durch gesonderte Antriebe lediglich voll in den Reaktorkern einfahrbar oder aus diesem ausfahrbar sind.
  • Mit der Anordnung derartiger Regelstäbe ist es möglich, örtliche Flußspitzen zu unterdrücken sowie die üblichen Regelfunktionen eines Reaktors zu verbessern So werden z.B. axiale Flußspitzen, die durch teilweises Einfahren der bekannten, schrittweise beweglichen Regelstäbe erzeugt wurden, vermieden, da die Regelstäbe nach der Erfindung lediglich voll über die ganze Länge des Reaktorkern einfahren. Darüber hinaus können Leistungsdichteveränderung und damit das Entstehen von Xenon weitgehend vermieden werden. Schließlich ist die Verwendung derartiger Regelstäbe auch für die ausbildung des Antriebes von Vorteil, da ein Antrieb, der lediglich in zwei Stellungen gefahren werden muß, erheblich einfacher ist als ein schrittweise arbeitender Antrieb für die herkömmlichen Regelstäbe.
  • Nach der Erfindung können je zwei Regelstäbe durch ein Verbindungsstück am oberen Ende zu einer Einheit zusammengefaßt sein und über ein an das Verbindungsstück angreifendes Gestänge gehoben und gesenkt werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn jedem Brennelement mehr als ein Regelstab zugeordnet ist.
  • Im allgemeinen weist jeder Regelstab die gleiche aktive Länge wie der Reaktorkern auf. Es ist aber auch möglich, daß ein Teil der Regelstäbe nur auf Teilstücken ihrer wirksamen Länge mit neutronenabsorbierendem Material versehen ist, um auch örtliche axiale Flußspitzen auszugleichen.
  • Anhand einer schematischon Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 einen Längaschnitt durch einen Teil eines Reaktors sowie Fig. 2 die Aufsicht auf das Traggitter eines Reaktorkerns.
  • In Fig. 1 ist ein Kernreaktor mit einem Regelsyetem nach der Erfindung dargestellt. Ein zylindrisches Druckgefäß 10 ist mit einem gewölbten Deckel 12 dicht verschlossen. Das Druckgefäß 10 hat Kühlmitteleinlässe und Kühlmittelauslässe 16 in der zylindrischen Wandung wie ein herkömmlicher Kernreaktor. Der Deckel 1-2 weist eine Mehrzahl von Durchführungen 18 auf, die dicht durch die kugelkalottenförmige Wandung geführt sind.
  • 'Piese urchführungen 18 verlaufen parallel zur Achse des Druckgefäßes.iO.er Kernbehälter 20 ist an einem nach innen ragenden Anechlàg dicht unterhalb des oberen Endes des Druckgefäßes 10 aufgsiigt. Eine obere Tragplatte 22 und eine obere Kerngitterplatte 24 bilden ein stabiles oberes Gerüst, indem sie durch die Stützen 23 und speziell durch den Kernbehälter 20 gehalten erden. Darüber hinaus wird eine untere Kerngitterplatte, die nicht näher dargestellt ist, in herkömmlicher Weise vom Kernbehälter 20 gehalten.
  • ras Kühlmittel, das durch die Einlässe eintritt, strömt durch einen ringförmigen Strömungekanal 30, der durch die unteren Wände des Druckgefäßes 10 und des Kernbehälters 20 gebildet wird, zu einem Kühlmittelsammelraum am Boden des Reaktors. Der Ringkanal 30 enthält außerdem ein thermisches Schild 32. Vom Kühlmittelammelraum am Boden verläuft die Strömung axial aufwärts durch die Räume zwischen den Kerngitterplatten in einen oberen Sammelraum 34 v<rn dem aus das Kühlmittel dann durch den Auslaßtutzen 16 zur nicht näher dargestellten Energieerzeugungsanlage abgeführt wird.
  • Die Brennelemente 36 sind parallel zueinander zwischen der oberen Kerngitterplatte 24 und der unteren Gitterplatte aufgehängt und in den beiden Gitterplatten durch Paßstifte genau lokalisiert. Die Brennelemente 36 enthalten eine Reihe von Brennstäben 38 und Fuhrungerohren 40t die zwischen den Brennstäben angeordnet und in einet vorgegebenen Abstand zueinznder durch ein Gerüst 42 nach Art eines Stegrasters mit hochkantgestellten, sich kreuzenden Stegen gehalten werden. Die Führungsrohre 40 dienen zur Aufnahme der einzelnen Regelstäbe 44 der verschiedenen Regelstabbündel 48.
  • Die Regelstäbe 44 sind aus einem neutronensbBorbierenden Material, wie z.B. Silber-Indium-Cadnium, hergestellt und mit einer temperatur- und korrosionebeständigen Metallhülle, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, umhüllt. Die Regelstäbe 44 haben ungefähr dieseib. Länge wie die Führungsrohre 40, so daß Jeder Stab Neutronen über den gesamten Kernquerschnitt absorbiert, wenn er voll eingefahren ist. Dabei sei feetgehalten, daß ein Teil der lunge einiger Regelstäbe aus einem Material von geringem oder vernachlässigbarem Neutronenabsorbtionseinfangquerschnitt besteht, was jedoch zur Komsensierung von Unregelmäßigkeiten in der axialen Flußverteilung erforderlich ist. Die Regelstäbe sind so geeicht, daß die Einführung einer oder zwei solcher Stäbe die Leistungsverteilung des gesamten Kernes nicht mehr verringert oder andert ala die Einführung eine. Regelstabbündele 48.
  • Das bedeutet, daß ein einziger Regelstab in der Lage ist, die Flughöhe in seiner unmittelbaren Umgebung um einen bestimmten Betrag zu reduzieren.
  • Ein Regelstabbündel 48 kann beispielsweise aus 16 Regelstäben 44 bestehen. Dabei sind jeweils zwei Regelstäbe 44 durch ein Verbindungsstück 50 am oberen Ende zu einer Regeleinheit 48 zusammengefaßt. Durch diese Anordnung wird eine Flexibilität der Regelung und eine einfache mechanische Anordnung ermöglicht. Jede Regeleinheit 48 ist einzeln bevegbar, wobei ie entweder voll in den Reaktorkern eingefahren oder voll aus dem Reaktorkern ausgezogen werden kann. Zu diesem Zweck sind die Verbindung. stücke 50 mit einem Antriebsgegänge 52 verbunden, das bis in die oberen Antriebe 54 reicht.
  • In dem Ausführungebeispiel nach Fig. 2 ist ein typischer Kernaufbau mit einer heterogenon Verteilung von beweglichen Neutronenabsorbern näher dargestellt. Der Kern besteht aus 157 gleichen Brennelementen 36. Davon sind 69 der Brennelemente 36 mit Regelstäben nach der vorliegenden Erfindung versehen.
  • Somit hat der Kernreaktor 552 Regeleinheiten 48 und 1104 Einzelregelstäbe 44. Die besondere Anpassungsfähigkeit dee Reaktors beruht auf dieser heterogenen Verteilung von einzeln bewegbaren Regelstäben in Verbindung mit einer chemischen Regelung oder anderen homogenen Regelsystemen, die beispielsweise Borsäure verwenden. Dadurch wird der Heißkanalfaktor verbessert und ein Betrieb des Reaktors auf einem höheren Leistungsniveau ermöglich. Obwohl die Geometrie nach dem Ausführungsbeispiel nicht eine optimal. Anordnung nach phyeikalixchen Gesichtspunkten darstellt, kann damit eine Leistungsverbesssrung von 15 % gegenüber den besten herkömmlichen Regelsystemen erreicht werden. Dieses Regelsystem ermöglicht es also, die Leistung.-abgabe des Reaktors so zu verändern, daß dieser Reaktor - im Gegensatz zu den bisher üblichen Reaktoren, die nur für Grundlast arbeiten, - auch als Spitzenlastkraftwerk benutzt werden kann.
  • Die Arbeitateise eines Reaktors mit derartigen Regelstäben nach der Erfindung ist ähnlich der eines herkömmlichen Reaktors, jedoch mit zwei wesentlichen Ausnahmen. Einmal kann durch volles Einfahren einzelner ausgewählter Regeleinheiten. 48 ein geringeres Leistungsniveau erreicht werden, wodurch eine bessere Regelung möglich ist als durch teilweises Einfahren eines oder mehrerer Regelstabbündel höheren Absorbtionsvermögen. Darüber hinaus müssen radiale Plußspitzen nicht länger hingenommen werden, da beim Einfahren einzelner Regel elemente derartige Spitzen abgesenkt werden, ohne daß ernte axiale Störungen hervorgerufen oder Xenonvergiftungen bewirkt werden.
  • Es kann daher festgestellt werden, daß die spezielle Reaktors regelung nach der Erfindung die Arbeitsweise des Reaktors nicht ändert und keine Neuberechnung der gegenwärtig bekannten Regelmöglichkeiten erfordert, daß aber eine größere Anpassungsfähigkeit durch die Verringerung unerwünschter Polgen, die eich bei schrittweisem absenken bekannter Regelstäbe ergeben, erreicht wird.
  • 5 PatentansprUche 2 Figuren

Claims (5)

  1. Patent ansprüche 1. Einrichtung zur Neutronenflußregelung eines Kernreaktors mit einem Druckgefäß, in dessen Wandung Kühlmitteleinlässe und Kühlmittelauslässe vorgesehen sind und bei dem das Kühlmittel den Reaktorkern in Kühlkanälen zwjschen den einzelnen Brennstäben von unten nach oben durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Brennelemente (36) mit Puhnmgsrohren (40) zur Aufnahme von Regelstäben (44) versehen ist und daß die Regelstäbe (44) einzeln durch gesonderte Antriebe (54) lediglich voll in den Reaktorkern einfahrbar oder aus diesem ausfahrbar sind.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens je zwei Regelstäbe (44) durch ein Verbindung.-stück (50) ii oberen Ende su einer Regeleinheit (48) zustmmengefaßt sind und über ein an das Verbindungsstück (50) angreifender Gestänge (52) gehoben und gesenkt werden.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Jedem Brennelenent (36) mehr als eine Regeleinheit (48) zugeordnet ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Regelstab (44) die gleiche aktive Länge wie der Reaktorkern aufweist.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Regelstäbe (X4) nur auf Teilstücken ihrer wirkseien Länge iit neutronenabsorbierendem Material versehen ist.
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